CN105185425A - 制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法及装置。解决了目前在制备超冷极性分子过程中原子团难以实现空间绝对重合的技术问题。本发明通过相应的光学元件将A、B原子的俘获光合并成一束，进而分成六束，与反亥姆霍兹磁场构成一个磁光阱，使磁光阱俘获的A、B原子团重合度显著增强；在增加暗点和反泵浦光形成的暗磁光阱中，通过调节几个波片特别是第三波片就能够调整两束混合光的强度比，进而实现控制两个原子团重合的工作，为原子团的缔合创造了十分理想的条件。通过观察CCD图像传感器采集到的原子团图像，就能够知晓如何调节混合光束的强度比，以实现两原子团的重合，有效提高了制备超冷极性分子的速度和产率。

Description

制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法及装置

技术领域

本发明涉及制备超冷极性分子的技术，具体为一种制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法及装置。

背景技术

量子信息科学是近年来量子光学、光信息科学与计算机科学相结合而发展起来的一门新兴前沿科学。量子信息遵从量子力学规律，表现出与经典信息科学完全不同的奇特性质。经典信息处理过程中的最小单位是比特，它的值具有确定性，非0即1。而量子信息中对应的最小单位被称为量子比特，用来描述最简单量子系统中的一个状态，可以处于0和1的叠加态。目前人们提出了多种介质来实现量子信息的处理，特别是量子态的制备，例如光学俘获的冷离子、光学晶格中的中性原子或极性分子。其中，超冷极性分子由于具有永久的电偶极矩和独特的长程偶极-偶极相互作用被认为是进行量子计算的良好备选介质之一。

在制备超冷极性分子过程中，人们通常对合成极性分子的两种原子进行激光冷却，然后采用光缔合或者磁缔合制备超冷极性分子。为了降低超冷原子团间的碰撞同时增加原子密度，研究者通常采用暗磁光阱技术将原子制备到最低超精细态。基于暗磁光阱技术制备的超冷分子具有温度低，密度高等优点，再结合受激拉曼绝热转移和光学晶格技术，便可以获得具有实用价值的振转能级可控、空间位置可控的分子量子态。因此，两种原子团的空间重合是合成分子的必要前提，也是提高合成分子产率的重要手段。然而，在实际操作中，要保证两种原子团的空间绝对重合是一件非常困难的事情。难点主要有两点：一，磁光阱中的原子团比较难以重合。为了俘获两种原子，需要两套激光装置。每套激光装置中各包括六束俘获光和一束再泵浦光。两种原子共用一个反亥姆霍兹磁场，要保证所有光束的中心和磁场的中心重合具有一定的困难。二，暗磁光中的原子团更加难以重合。暗磁光阱是在磁光阱的基础上获得的。其变化是对组成磁光阱的再泵浦光的中心加一暗点，使其形成空心光束，然后在空心光束中加入一束反泵浦光，使冷原子处于最低超精细态，进而达到降低原子碰撞、增加原子密度的目的。由于反泵浦光对原子很强的散射力，两种原子团的空间位置将会发生更大的偏移。

为了使两种原子团很好地重合，人们通常的解决办法是调节六束俘获光的分光比和空间位置。这种办法没有固定的步骤可以遵循，操作者全凭经验，调节过程费时繁琐，并且调节后的原子重叠率较小。因此研究一种能够大大提高原子重叠率且调试简单方便的技术势在必行。

发明内容

本发明为解决目前在制备超冷极性分子过程中原子团难以实现空间绝对重合的技术问题，提供一种制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法及装置。

本发明所述的制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法是采用以下技术方案实现的：一种制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法，包括如下步骤：(a)、将一束A原子俘获光与一束B原子俘获光汇合成一束，然后分成两两对射的六束激光，并与反亥姆霍兹磁场组成一个磁光阱；六束激光汇聚于空间中的内充有A、B原子团的原子气室中；六束激光的汇聚中心与反亥姆霍兹磁场的中心重合；(b)、将A、B原子的再泵浦光合并成一束，并经过一个暗点之后形成空心光束；同时在空心光束中加入一束沿空心出射的由A、B原子的反泵浦光合并成一束的中心光束；(c)、将上一步得到的混合光束分成两束，两束混合光交汇于原子气室内磁光阱六束光的汇聚中心，形成一个可调节暗磁光阱；(d)、原子气室旁设有一个采集原子团所发射荧光的CCD图像传感器，通过观察CCD图像传感器采集到的荧光图像来调节两束对射的混合光束的光强比，逐步实现原子气室内A、B原子团的重合。

一、为了解决现有技术存在的难点一，本发明将A、B两束俘获激光装置通过光学器件达到空间的重合。具体为：通过二向色镜使两种原子的俘获光完全重合，共同使用宽带镀膜的光学器件(包括四分之一波片，二分之一波片、偏振分束棱镜，反射镜)制备出冷却原子需要的圆偏振光(即六束汇聚激光)。

二、为了解决现有技术存在的难点二，本发明将反泵浦光和再泵浦光组成的混合光束分为两束，使其在原子位置交汇。通过调节两束分光的强度，或者说调节混合光束中反泵浦光束的强度(同时再泵浦光的强度也会相应发生变化)，进而调节对原子的散射力，从而实现调节两种原子团的空间位置的目的。

进一步的，步骤(c)中两束混合光采用对打方式并与原子气室内磁光阱六束光的汇聚中心交汇。

采用对打方式，可以增强激光对于原子团的作用，更主要的是这种入射方式更有利于通过调节光强比来控制原子团的重合。

进一步的，当原子气室内A、B原子团重合之后，引入一束A、B原子团的缔合光，缔合光穿过磁光阱六束光的汇聚中心，将重合的超冷原子团缔合为分子。

进一步的，引入一束穿过磁光阱六束光的汇聚中心的染料激光，用于探测形成的分子。

本发明所述的制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱装置是采用如下技术方案实现的：一种制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱装置，包括A原子俘获光发射装置和B原子俘获光发射装置；A原子俘获光发射装置的出射光路上设有一个第一反射镜，B原子俘获光发射装置的出射光路上设有一个位于第一反射镜反射光路上的二向色镜，所述二向色镜能够反射A原子俘获光并透射B原子俘获光；二向色镜的透射光路上设有准直透镜组；经准直透镜组出射的光束由暗磁光阱光路布置单元分成两两反向对射并汇聚于内部充有A、B原子团的原子气室中的六束激光，暗磁光阱光路布置单元还包括反亥姆霍兹磁场，六束激光的汇聚中心与反亥姆霍兹磁场的中心重合；还包括A、B原子再泵浦光发射装置以及A、B原子反泵浦光发射装置；所述A原子再泵浦光发射装置的出射光路上设有第二反射镜，B原子再泵浦光发射装置的出射光路上设有位于第二反射镜反射光路上的第一偏振分束棱镜，第二反射镜的反射光路与第一偏振分束棱镜的反射光路重合；第一偏振分束棱镜的反射光路上顺次设有第一半波片和中心设有暗点的透射镜片；A原子反泵浦光发射装置的出射光路上设有第三反射镜，B原子反泵浦光发射装置的出射光路上设有位于第三反射镜反射光路上的第二偏振分束棱镜，第二偏振分束棱镜的透射光路上顺次设有第二半波片和第三偏振分束棱镜，第三偏振分束棱镜的反射光路与中心设有暗点的透射镜片的出射光路相重合，第一、第二、第三偏振分束棱镜与中心设有暗点的透射镜片的位置关系要保证A、B原子的再泵浦光合并成一束后形成一个空心光束，同时与A、B原子的反泵浦光合并成一束混合光，并且A、B原子的反泵浦光位于空心光束的中心；第三偏振分束棱镜的透射光路上设有第四反射镜，第三偏振分束棱镜的反射光路上设有第五反射镜；第四反射镜的反射光路与第五反射镜的反射光路经过相应的光学元件后交汇于六束激光的汇聚中心；原子气室旁设有CCD图像传感器。

进一步的，第四反射镜的反射光路与第五反射镜的反射光路经过相应的光学元件后实现对打并与原子气室内磁光阱六束光的汇聚中心交汇。

本发明装置通过相应的光学元件将A、B原子的俘获光合并成一束，进而分成六束，与反亥姆霍兹磁场构成一个磁光阱，磁光阱光路光路不仅得到了简化，更重要的是保证了磁光阱中原子的重合；在增加暗点和反泵浦光形成的暗磁光阱中，通过调节几个波片特别是第三波片就能够调整两束混合光的强度比，进而实现控制两个原子团重合的工作，为原子团的缔合创造了十分理想的条件。通过观察CCD图像传感器采集到的原子团图像，就能够知晓如何调节混合光束的强度比，以实现两原子团的重合。有效提高了制备超冷极性分子的速度和产率。

本发明设计的原子空间可调节暗磁光阱装置是为了制备超冷极性分子，因此申请人比对了利用原子空间可调节暗磁光阱装置和普通暗磁光阱装置两种情况下产生的极性分子的信号(图4)。利用本发明所述的空间可调节暗磁光阱装置制备的超冷极性分子产率增强了70％，其原因就在于原子空间可调节暗磁光阱装置可以保证两种原子团的绝对重合。相比较于普通暗磁光阱装置，本装置只需调节两束混合光束的强度比，调节过程非常简洁方便且有效。

附图说明

图1制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱装置示意图。图中R代表再泵浦光(repumpinglaser)，D代表反泵浦光(depumpinglaser)，T代表俘获光(trappinglaser)，PBS代表偏振分束棱镜(polarizingbeamsplitter)，HWP代表半波片(half-waveplate)，PAlaser代表光缔合激光(photoassociationlaser)，Dyelaser代表染料激光。

1-A原子俘获光发射装置，2-B原子俘获光发射装置，3-第一反射镜，4-二向色镜，5-A原子再泵浦光发射装置，6-第二反射镜，7-B原子再泵浦光发射装置，8-第一偏振分束棱镜，9-第一半波片，10-中心设有暗点的透射镜片，11-A原子反泵浦光发射装置，12-第三反射镜，13-B原子反泵浦光发射装置，14-第二偏振分束棱镜，15-第二半波片，16-第三偏振分束棱镜，17-第四反射镜，18-第五反射镜，19-原子气室，20-CCD图像传感器，21-光电探测器。

图2为CCD图像传感器采集到的铷原子团在铯原子团装载过程中空间位置的图像。

图3对应于图2中铷原子团在铯原子团装载过程中荧光变化情况(装载曲线)。光电探测器记录原子荧光强度。

图4利用原子空间可调节暗磁光阱装置和普通暗磁光阱装置两种情况下产生的极性分子的信号。图(a)是普通暗磁光阱装置对应的信号。图(b)是利用了原子空间可调节暗磁光阱装置制备的超冷极性分子的飞行时间质谱图。

具体实施方式

一种制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法，包括如下步骤：(a)、将一束A原子俘获光与一束B原子俘获光汇合成一束，然后分成两两对射的六束激光(图1中六束交汇的箭头)，并与反亥姆霍兹磁场组成一个磁光阱；六束激光汇聚于空间中的内充有A、B原子团的原子气室19中；六束激光的汇聚中心与反亥姆霍兹磁场的中心重合；(b)、将A、B原子的再泵浦光合并成一束，并经过一个暗点之后形成空心光束；同时在空心光束中加入一束沿空心出射的由A、B原子的反泵浦光合并成一束的中心光束；(c)、将上一步得到的混合光束分成两束，两束混合光交汇于原子气室内磁光阱六束光的汇聚中心，形成一个可调节暗磁光阱；(d)、原子气室19旁设有一个采集原子团所发射荧光的CCD图像传感器20，通过观察CCD图像传感器20采集到的荧光图像来调节两束对射的混合光束的光强比，逐步实现原子气室19内A、B原子团的重合。

步骤(c)中两束混合光采用对打方式并与原子气室19内磁光阱六束光的汇聚中心交汇。

当原子气室19内A、B原子团的重合之后，引入一束A、B原子团的缔合光，缔合光穿过磁光阱六束光的汇聚中心，将重合的超冷原子团缔合为分子。

引入一束穿过磁光阱六束光的汇聚中心的染料激光，用于探测形成的分子。

一种制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱装置，包括A原子俘获光发射装置1和B原子俘获光发射装置2；A原子俘获光发射装置1的出射光路上设有一个第一反射镜3，B原子俘获光发射装置2的出射光路上设有一个位于第一反射镜3反射光路上的二向色镜4，所述二向色镜4能够反射A原子俘获光并透射B原子俘获光；二向色镜4的透射光路上设有准直透镜组；经准直透镜组出射的光束由暗磁光阱光路布置单元分成两两反向对射并汇聚于内部充有A、B原子团的原子气室19中的六束激光，暗磁光阱光路布置单元还包括反亥姆霍兹磁场，六束激光的汇聚中心与反亥姆霍兹磁场的中心重合；还包括A、B原子再泵浦光发射装置以及A、B原子反泵浦光发射装置；所述A原子再泵浦光发射装置5的出射光路上设有第二反射镜6，B原子再泵浦光发射装置7的出射光路上设有位于第二反射镜6反射光路上的第一偏振分束棱镜8，第二反射镜6的反射光路与第一偏振分束棱镜8的反射光路重合；第一偏振分束棱镜8的反射光路上顺次设有第一半波片9和中心设有暗点的透射镜片10；A原子反泵浦光发射装置11的出射光路上设有第三反射镜12，B原子反泵浦光发射装置13的出射光路上设有位于第三反射镜12反射光路上的第二偏振分束棱镜14，第二偏振分束棱镜14的透射光路上顺次设有第二半波片15和第三偏振分束棱镜16，第三偏振分束棱镜16的反射光路与中心设有暗点的透射镜片10的出射光路相重合，第一、第二、第三偏振分束棱镜与中心设有暗点的透射镜片10的位置关系要保证A、B原子的再泵浦光合并成一束后形成一个空心光束，同时与A、B原子的反泵浦光合并成一束混合光，并且A、B原子的反泵浦光位于空心光束的中心；第三偏振分束棱镜16的透射光路上设有第四反射镜17，第三偏振分束棱镜16的反射光路上设有第五反射镜18；第四反射镜17的反射光路与第五反射镜18的反射光路经过相应的光学元件后交汇于六束激光的汇聚中心；原子气室19旁设有CCD图像传感器20。

第四反射镜17的反射光路与第五反射镜18的反射光路经过相应的光学元件后实现对打并与原子气室内磁光阱六束光的汇聚中心交汇。

还包括用于记录原子荧光强度的光电探测器21。

图1中可以看出，混合光分成两束后，均经过相应的透镜组准直后实现对射，相应的光路布置方式是本领域技术人员所熟知的。

实际工作中采用的A原子为铷原子，B原子为铯原子，步骤(c)中混合光的夹角一般选为170度。最直接的能展示本装置有效性(空间位置可调)的结果是：可以调节光束P1和光束P2(见图1中的标记)中反泵浦光的光强比，从而实现两种原子团的空间位置移动。如图2所示，其重叠率η分别为0，0.65，1。最后我们可以使两种原子团完全重合。图3是在图2的三种情况下铷原子在铯原子中的原子装载过程。从中可以得到对应的碰撞损失率依次增加：碰撞损耗率γ分别为0.14(1),0.17(3),0.23(3)s^-1。这也反映了对应的原子团重合度的增加。

为了定量说明两个原子团重合度，定义重叠率式中d是两个原子团的距离，R_A和R_B分别是两个原子团的半径。图2上方和下方分别是铯原子和铷原子的成像(用CCD监视)

在铯原子团存在的情况下(铯原子团已经装载完全)，对铷原子团开始装载，用光电探测器21记录原子荧光，荧光强度对应着原子数目。铷原子数目N在装载过程中满足如下关系：N＝N_s(1-e^-γt)，式中N_s是冷原子装载完成后的原子数目，γ是原子的背景碰撞损失率。图3中的三条实线就是用这一公式进行的拟合。

Claims (8)

1.一种制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法，其特征在于，包括如下步骤：（a）、将一束A原子俘获光与一束B原子俘获光汇合成一束，然后分成两两对射的六束激光，并与反亥姆霍兹磁场组成一个磁光阱；六束激光汇聚于空间中充有A、B原子团的原子气室（19）中；六束激光的汇聚中心与反亥姆霍兹磁场的中心重合；（b）、将A、B原子的再泵浦光合并成一束，并经过一个暗点之后形成空心光束；同时在空心光束中加入一束沿空心出射的由A、B原子的反泵浦光合并成一束的中心光束；（c）、将上一步得到的混合光束分成两束，两束混合光交汇于原子气室内磁光阱六束光的汇聚中心，形成一个可调节暗磁光阱；（d）、原子气室（19）旁设有一个采集原子团所发射荧光的CCD图像传感器（20），通过观察CCD图像传感器（20）采集到的荧光图像来调节两束对射的混合光束的光强比，逐步实现原子气室（19）内A、B原子团的重合。

2.如权利要求1所述的制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法，其特征在于，步骤（c）中两束混合光采用对打方式并与原子气室（19）内磁光阱六束光的汇聚中心交汇。

3.如权利要求2所述的制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法，其特征在于，当原子气室（19）内A、B原子团的重合之后，引入一束A、B原子团的缔合光，缔合光穿过磁光阱六束光的汇聚中心，将重合的超冷原子团缔合为分子。

4.如权利要求3所述的制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法，其特征在于，引入一束穿过磁光阱六束光的汇聚中心的染料激光，用于探测形成的分子。

5.如权利要求1~4中任一项所述的制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱方法，其特征在于，所述A原子为铷原子，B原子为铯原子。

6.一种制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱装置，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括A原子俘获光发射装置（1）和B原子俘获光发射装置（2）；A原子俘获光发射装置（1）的出射光路上设有一个第一反射镜（3），B原子俘获光发射装置（2）的出射光路上设有一个位于第一反射镜（3）反射光路上的二向色镜（4），所述二向色镜（4）能够反射A原子俘获光并透射B原子俘获光；二向色镜（4）的透射光路上设有准直透镜组；经准直透镜组出射的光束由暗磁光阱光路布置单元分成两两反向对射并汇聚于内部充有A、B原子团的原子气室（19）中的六束激光，暗磁光阱光路布置单元还包括反亥姆霍兹磁场，六束激光的汇聚中心与反亥姆霍兹磁场的中心重合；还包括A、B原子再泵浦光发射装置以及A、B原子反泵浦光发射装置；所述A原子再泵浦光发射装置（5）的出射光路上设有第二反射镜（6），B原子再泵浦光发射装置（7）的出射光路上设有位于第二反射镜（6）反射光路上的第一偏振分束棱镜（8），第二反射镜（6）的反射光路与第一偏振分束棱镜（8）的反射光路重合；第一偏振分束棱镜（8）的反射光路上顺次设有第一半波片（9）和中心设有暗点的透射镜片（10）；A原子反泵浦光发射装置（11）的出射光路上设有第三反射镜（12），B原子反泵浦光发射装置（13）的出射光路上设有位于第三反射镜（12）反射光路上的第二偏振分束棱镜（14），第二偏振分束棱镜（14）的透射光路上顺次设有第二半波片（15）和第三偏振分束棱镜（16），第三偏振分束棱镜（16）的反射光路与中心设有暗点的透射镜片（10）的出射光路相重合，第一、第二、第三偏振分束棱镜与中心设有暗点的透射镜片（10）的位置关系要保证A、B原子的再泵浦光合并成一束后形成一个空心光束，同时与A、B原子的反泵浦光合并成一束混合光，并且A、B原子的反泵浦光位于空心光束的中心；第三偏振分束棱镜（16）的透射光路上设有第四反射镜（17），第三偏振分束棱镜（16）的反射光路上设有第五反射镜（18）；第四反射镜（17）的反射光路与第五反射镜（18）的反射光路经过相应的光学元件后交汇于六束激光的汇聚中心；原子气室（19）旁设有CCD图像传感器（20）。

7.如权利要求6所述的制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱装置，其特征在于第四反射镜（17）的反射光路与第五反射镜（18）的反射光路经过相应的光学元件后实现对打并与原子气室（19）内磁光阱六束光的汇聚中心交汇。

8.如权利要求6或7所述的制备超冷极性分子的原子空间可调节暗磁光阱装置，其特征在于，还包括用于记录原子荧光强度的光电探测器（21）。